The effect of performance parameters of dual fuel CI engine on its vibroacoustical activity

Article citation info: ZIELIŃSKI Ł. et al. The effect of performance parameters of dual fuel CI engine on its vibroacoustical activity. Combustion Engines., 6(), 7-77. ISSN -9896. Łukasz ZIELIŃSKI Damian WALCZAK Stanisław RADKOWSKI Krzysztof SZCZUROWSKI PTNSS 7 The effect of performance parameters of dual fuel CI engine on its vibroacoustical activity Due to economic and ecological reasons alternative ways of supply of combustion engines are looked for. In diesel engines, a growing interest in systems allowing the admixture of propane-butane has been observed. This is due to several reasons: the price of fuel, a wide distribution network, as well as improving combustion efficiency. With the development of dual fuel engine supply, a study of the effects of LPG on noise generatioin and vibration seems to be reasonable, as well as an attempt to evaluate the combustion process. This paper describes the study of these phenomena on the example of the.4 TDI Volkswagen engine with a modified power supply allowing for the addition of LPG in the gas phase and liquid phase. The results of research on engine noise and vibration during operation under load on a chassis dynamometer for different shares of LPG and for different control parameters, in particular the injection timing,. have been presented. The study was an attempt to verify the control parameters in order to obtain the lowest possible value of noise and vibration, while maintaining the high efficiency of the combustion process. By recording vibrations off the motor housing as well as the body, it was possible to determine the noise amplitude spectrum, on the basis of which the conclusions have been formulated. Key words: dual fuel engine, diesel, LPG, vibrations Badania wpływuparametrów użytkowych dwupaliwowego silnikao zapłonie samoczynnym na jego aktywność wibroakustyczną Ze względów ekonomicznych i ekologicznych poszukiwane są alternatywne sposoby zasilania silników spalinowych. W silnikach o zapłonie samoczynnym, obserwujesię wzrost zainteresowania instalacjami paliwowymi pozwalającymi na domieszkę propan-butanu. Wynika to z ceny tego paliwa, szerokiej sieci dystrybucji, jak również z poprawy efektywności spalania. Wraz z rozwojem zasilania dwupaliwowego rozsądnym wydaje się być badanie wpływu dodatku LPG na emisję hałasu oraz generowanie drgań. W artykule opisano badania dotyczące zjawisk drganiowych na przykładzie silnika Volkswagena.4 TDI ze zmodyfikowanym układem zasilania, pozwalającym na dodawanie LPG w fazie gazowej, jak również w fazie ciekłej. Przedstawiono wyniki badań wibroakustycznych pracy silnika pod obciążeniem na hamowni podwoziowej dla różnych udziałów dawki LPG oraz dla różnych parametrów sterowania, w szczególności zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku. Badania były próbą weryfikacji parametrów sterowania w celu uzyskania jak najniższych wartości emitowanego hałasu i drgań, przy jednoczesnym zachowaniu dużej efektywności procesu spalania. Rejestrując drgania na korpusie silnika, jak również na karoserii, oraz hałas, możliwe było wyznaczenia widma amplitudowego, na podstawie którego opracowano wnioski. Stwierdzono, jaki jest optymalny kąt wyprzedzenia wtrysku dla minimalizacji drgań oraz dla uzyskania maksymalnego momentu obrotowego. Słowa kluczowe: silnik dwupaliwowy, diesel, LPG, drgania. Wstęp Wraz z wprowadzanymi coraz ostrzejszymi normami emisji spalin [] oraz zmniejszającymi się zasobami ropy naftowej, poszukiwane są rozwiązania pozwalające na redukcję zużycia paliwa i emisji związków toksycznych. Jednym ze sposobów ograniczenia emisji tych związków mogą być silniki dwupaliwowe, w których np. paliwem podstawowym jest olej napędowy, a dodatkowym może być gaz LPG, biogaz, itp., które są znacznie tańszymi paliwami od oleju napędowego oraz generują mniej związków toksycznych[, ]. Jednym ze znanych rozwiązań jest zasilanie silnika o zapłonie samoczynnym olejem napędowym z dodatkiem LPG[4,, 6].Rozwój układów sterujących silników spalinowych pozwala na precyzyjne kontrolowanie pracy silników dwupaliwowych. Obecnie w wielu ośrodkach prowadzone są badania nad wykorzystaniem paliw gazowych (naj- 7

częściej LPG i CNG) do zasilania silników spalinowych ZS. Wśród najważniejszych kierunków prowadzonych badań należy wymienić: zasilanie silników LPG, CNG, LNG (zasilanie dwupaliwowe) [4,,6,7], zasilanie silników biogazem (poprzez modyfikację silnika: zmiana stopnia sprężania oraz montaż dodatkowego układu zapłonowego) [8], zasilanie silników zmodyfikowanym LPG i CNG (stosowanie dodatków umożliwiających samozapłon) [9]. Na rynku obserwuje się zwiększenie popularności takich instalacji podyktowane jest to głównie oszczędnościami, jak również oczekiwaną redukcją związków toksycznych. Oferowane przez różne firmy instalacje pozwalają na domieszkę do około % propan-butanu. Proporcja paliw wynika, z możliwości wystąpienia spalania stukowego oraz tendencji do wzrostu temperatury spalin. Spalanie stukowe można zaobserwować rejestrując drgania korpusu silnika, a w szczególności konkretne pasma częstotliwości tych drgań. Przyczyną podjęcia tematów przez autorów jest fakt coraz szerszego zainteresowania nad wykorzystaniem informacji zawartych w generowanych drganiach i emisji akustycznej [X] jak również ograniczania emisji akustycznej jako jednego z zagrożeń środowiskowych. Inna emisja drgań i hałasu w silniku dwupaliwowym spowodowana jest zmianą ciśnienia w komorze spalania co przekłada się na mierzone parametry m.in. moment obrotowy[]. Zjawisko to wydaje się być ciekawe z punktu próby optymalizacji wybranych parametrów sterowania, gdzie kryterium optymalizacji jest minimalizacja drgań i hałasu generowanego przez silnik. Celem niniejszej pracy było zbadanie poziomu amplitudy drgań głowicy silnika dwupaliwowego (.4 TDI VAG), dla różnych parametrów kąta wyprzedzenia wtrysku oraz dla różnych udziałów dodatku LPG.. Badania silnika dwupaliwowego Badany silnik został przystosowany do pracy dwupaliwowej przez montaż dodatkowej instalacji LPG z wtryskiwaczem umieszczonym w kolektorze dolotowym. Gaz podawany jest jednym wtryskiwaczem zasilając wszystkie cylindry. Badania wykonywane były podczas prób rozpędzania lub podczas pracy przy stałym obciążeniu i stałej prędkości obrotowej na hamowni podwoziowej obciążeniowej w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji (rys.). Podczas badań wykorzystano środowisko LabVIEW do rejestracji wszystkich mierzonych sygnałów. Do rejestracji hałasu użyto czujnika ciśnienia akustycznego (B & K typ 498) zaś do badania drgań -osiowego czujnika drgań (B & K typ 44) (rys. ). Sygnały próbkowane były z częstotliwością, khz, a każdy pomiar trwał sek. Do pomiarów wykorzystano karty pomiarowe NI 94. Fig.. The test vehicle Rys.. Badany pojazd Fig.. The location of the vibration sensor on the head Rys..Umiejscowienie czujnika drgań na głowicy Jednym z zagadnień, które poddano analizie był wpływu kąta wyprzedzenia wtrysku oleju napędowego na generowane drgania, jak i parametry użytkowe, m.in. moment obrotowy mierzony na kołach pojazdu. W ramach badań przyjęto założenie o zwiększaniu kąta wyprzedzenia wtrysku. Zmiana kąta wyprzedzenia wtrysku względem seryjnej mapy odbywała się przez modyfikację map zapisanych w sterowniku silnika. Wcześniejsze badania wykazały, że opóźnienie KWW powoduje zmniejszenie maksymalnego ciśnienia procesu spalania, co skutkuje zmniejszeniem momentu obrotowego. Kolejnym krokiem było badanie wpływu dodatku LPG na te same parametry. Porównanie tych wyników pozwoli na próbę wyznaczenia optymalnych parametrów sterowania pod względem emisji wibroakustycznej i generowanego momentu obrotowego. Badania drganiowo-hałasowe przeprowadzano przy trzech prędkościach obrotowych:, oraz min - przy stałym obciążeniu 4% maksymalnego momentu obrotowego.. Analiza wyników W analizie posłużono się szybką transformatą Fouriera, która pozwoliła na przejście do dziedziny częstotliwości i dalszą analizę uzyskanych wyników. Reprezentacja tych danych w postaci widma 7

dotyczy emisji wibroakustycznej, zaś parametry użytkowe przedstawione są na wykresach trójwymiarowych (Rys. -6), na których odpowiednio reprezentowany jest moment obrotowy, prędkość obrotowa i zmiana KWW w stosunku do ustawień fabrycznych. Wykres generowanego momentu obrotowego przedstawia przebieg narastania momentu w zależności od KWW dla różnych udziałów paliwa, rozpoczynając od zasilania wyłącznie olejem napędowym. M [Nm] 4 8 6 4 8 Injection timing change [ o ] M [Nm] 4 8 6 4 4 4 RPM Fig.. Torque as a function of RPM and IT, diesel only Rys.. Moment obrotowy w funkcji prędkości obrotowej i KWW, tylko diesel 8 Przy stosowaniu tylko oleju napędowego najbardziej efektywne są parametry sterowania zapisane przez producenta w sterowniku silnika. W przypadku stosowania paliw składających się z oleju napędowego oraz LPG, dla małych udziałów LPG (około %)najkorzystniejsze okazało się wyprzedzenie o 4 o KWW względem ustawień fabrycznych. Dla większych udziałów LPG korzystne okazało się wyprzedzenie KWW o kolejne o, a dalsze zwiększanie KWW powoduje zmniejszenie generowanego momentu obrotowego. Przenosząc powyższe spostrzeżenia na uzyskane wyniki pomiarów drganiowych, należy zwrócić uwagę na zależność amplitudy drgań od KWW. Na rysunkach 6-4 można zaobserwować, że amplituda drgań rośnie wraz ze zwiększaniem KWW, niezależnie od składu podawanego paliwa (udziału LPG). Rysunki przedstawiają amplitudy przyspieszeń drgań głowicy silnika w osi wzdłużnej pojazdu; dla danego pojazdu jest to oś prostopadła do osi obrotu wału korbowego oraz osi cylindrów. Kierunek ten został wybrany ze względu na największe zarejestrowane amplitudy drgań i widoczność wpływu parametrów wysterowania silnika, w tym przede wszystkim zmienność momentu napędowego. Amplitudy drgań pierwszych harmonicznych nie przedstawiają wyraźnych różnic pomiędzy różnymi parametrami pracy silnika, lepszym wskaźnikiem jest energia drgań, np. dla pierwszej harmonicznej. Energia drgań dla prędkości obrotowej min - jest dwukrotnie większa niż dla min -,a przy zwiększeniu prędkości obrotowej o kolejne min - (do min - ) energia wzrosła o %. Injection timing change [ o ] M [Nm] 4 8 6 4 4 4 RPM Fig. 4. Torque as a function of RPM and IT, % LPG Rys. 4. Moment obrotowy w funkcji prędkości obrotowej i KWW, % LPG 8.4.8.6.4. 4 6 8 4 6 8 min - ; Diesel min - ; Diesel; + o min - ; Diesel; +4 o min - ; Diesel; +6 o min - ; Diesel; +8 o Fig. 6. Head vibration amplitude spectrum, min -, diesel only Rys. 6. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, tylko diesel Injection timing change [ o ] 4 4 RPM Fig.. Torque as a function of RPM and IT, % LPG Rys.. Moment obrotowy w funkcji prędkości obrotowej i KWW, % LPG 7

.4.8.6.4. min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o 4 6 8 4 6 8 drgań wyraźnie widać, że wraz ze wzrostem udziału gazu, amplitudy drgań ulegają zmniejszeniu..4.8.6.4 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o.4.8.6 Fig. 7. Head vibration amplitude spectrum, min -, % LPG Rys. 7. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, % LPG min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o..4 4 6 8 4 6 8 Fig.. Head vibration amplitude spectrum, min -, % LPG Rys.. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, % LPG min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o.4.8..6 4 6 8 4 6 8.4.4.8.6 Fig. 8. Head vibration amplitude spectrum, min -, % LPG Rys. 8. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, % LPG min - ; Diesel min - ; Diesel; + o min - ; Diesel; +4 o min - ; Diesel; +6 o min - ; Diesel; +8 o..4 4 6 8 4 6 8 Fig.. Head vibration amplitude spectrum, min -, % LPG Rys.. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, % LPG min - ; Diesel min - ; Diesel; + o min - ; Diesel; +4 o min - ; Diesel; +6 o min - ; Diesel; +8 o.4.8..6 4 6 8 4 6 8.4 Fig. 9. Head vibration amplitude spectrum, min -, diesel only Rys. 9. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, tylko diesel Jak można zaobserwować na rysunkach i, na których przedstawiono wyniki dla prędkości obrotowej min -, różne korekty KWW nie wnoszą większych zmian w generowany poziom amplitud drgań. Natomiast zaobserwowano ciekawą sytuację przedstawioną na rysunku 4, na którym porównano dla prędkości min - różne udziały gazu LPG przy braku korekty ustawień fabrycznych KWW. Porównując poziomy amplitud. 4 6 8 4 6 8 Fig.. Head vibration amplitude spectrum, min -, diesel only Rys.. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, tylko diesel 74

.4 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o.8.6.4 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o.8.6.8.4.6.4.. 4 6 8 4 6 8 4 6 7 8 Fig.. Head vibration amplitude spectrum, min -, % LPG Rys.. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, % LPG Fig. 6. The sound pressure amplitude spectrum, min -, % LPG Rys. 6. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, % LPG.4 min - ; Diesel min - ; % LPG min - ; % LPG min - ; % LPG min - ; % LPG min - ; % LPG.8.6.4 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o.8.6.8.4.6.4.. 4 6 8 4 6 8 4 6 7 8 Fig. 4. Head vibration amplitude spectrum, min -, different shares LPG Rys. 4. Widmo amplitudowe drgań głowicy, min -, różne udziały LPG Fig. 7. The sound pressure amplitude spectrum, min -, % LPG Rys. 7. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, % LPG W dalszej części badań przeanalizowano sygnały akustyczne zarejestrowane wewnątrz pojazdu, na wysokości lusterka wewnętrznego pomiędzy pasażerem a kierowcą..8.6.4.8 min - ; Diesel min - ; Diesel; + o min - ; Diesel; +4 o min - ; Diesel; +6 o min - ; Diesel; +8 o.8.6.4 min - ; Diesel min - ; Diesel; + o min - ; Diesel; +4 o min - ; Diesel; +6 o min - ; Diesel; +8 o.6.4. 4 6 7 8.8.6.4. 4 6 7 8 Fig.. The sound pressure amplitude spectrum, min -, diesel only Rys.. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, tylko diesel Fig. 8. The sound pressure amplitude spectrum, min -, dieselonly Rys. 8. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, tylko diesel Ze względu na wiele źródeł hałasu podczas badań, pomiar obarczony jest wieloma składowymi pochodzącymi od pracy np.: wentylatora hamowni, rolek hamowni itd. Nie mniej jednak można porównać częstotliwości związane tylko z pracą silnika spalinowego. W tym przypadku okazuje się, że KWW powoduje podobne zmiany amplitudy ciśnienia akustycznego jak miało to miejsce dla drgań, ale tylko w przypadku podawania samego oleju napędowego. Dodatek gazu powoduje znacz- 7

ne zmniejszenie emitowanego hałasu już dla prędkości obrotowej min - w całym zakresie zmian KWW, natomiast dla prędkości obrotowej min - poziom ciśnienia akustycznego uległ zmniejszeniu tylko dla KWW wyprzedzonego o 4 o i 6 o względem parametrów fabrycznych. Dla prędkości obrotowej min - (Rys. ) amplituda częstotliwości zapłonu oleju napędowego jest niewiele większa niż szumy otoczenia i nie jest możliwa jej dokładna analiza..8.6.4.8.6.4. min - ; Diesel min - ; % LPG min - ; % LPG 4 6 7 8.8.6.4 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o Fig.. The sound pressure amplitude spectrum, min -, dieselonly Rys.. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, tylko diesel.8 min -.6.8 min - ; % LPG min - ; % LPG.4.6..4 4 6 7 8 Fig. 9. The sound pressure amplitude spectrum, min -, % LPG Rys. 9. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, % LPG.8.6.4. 4 6 7 8.8.6.4.8.6.4. 4 6 7 8 min - ; % LPG min - ; % LPG; + o min - ; % LPG; +4 o min - ; % LPG; +6 o min - ; % LPG; +8 o Fig.. The sound pressure amplitude spectrum, min -, % LPG Rys.. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, % LPG Rys.. Widmo amplitudowe ciśnienia akustycznego, min -, różne udziały LPG Fig.. The sound pressure amplitude spectrum, min -, different shares LPG 4. Podsumowanie Przeprowadzone badania pozwoliły na lepsze zapoznanie się ze zjawiskami wibroakustycznymi zachodzącymi podczas spalania mieszanki dwupaliwowej. Przebadano wpływ zmiany KWW na emisję wibroakustyczną oraz na parametry użytkowe silnika dwupaliwowego. Zbadano wpływ dodatku LPG na emisję wibroakustyczną, która może być kluczowym kryterium do ograniczania maksymalnej dawki dodawanego gazu. Wyniki badań wykazują, że ze względu na maksymalny moment obrotowy, drgania oraz hałas w silnikach zasilanych olejem napędowym z dodatkiem LPG, seryjna mapa KWW powinna być zmodyfikowana, gdyż taka modyfikacja poprawia parametry użytkowe silnika. Z punktu widzenia generowanych drgań, zwiększenie KWW powoduje nieznaczny wzrost amplitudy. Dodatek LPG do silnika ZS powoduje zmniejszenie drgań i emisji hałasu. Podsumowując, układy sterowania silników dwupaliwowych powinny wprowadzać korektę KWW w fabrycznych mapach ze względu na poprawę parametrów użytkowych oraz zmniejszenie emisji wibroakustycznej. 76

Nomenclature/Skróty i oznaczenia LPG Liquefied Petroleum Gas/ gaz skroplony LNG Liquefied Natural Gas/ skroplony gaz ziemnny CNG Compressed Natural Gas/sprężony gaz ziemny VAG Volkswagen Aktiengesellschaft TDI Turbodiesel Direct Injection Bibliography/Literatura Łukasz Zieliński, MEng. PhD student at the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering at Warsaw University of Technology. mgr inż. Łukasz Zieliński doktorant na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Stanisław Radkowski, DSc., DEng. Professor and dean of the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering at Warsaw University of Technology. Dr hab. inż. Stanisław Radkowski profesor i dziekan Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. IT/KWW Injection Timing/ Kąt Wyprzedzenia Wtrysku B&K Brüel & Kjær RPM Revoltions Per Minute [] Regulation (EC) No 7/7 of the European Parliament and of the Council of June 7 on type approval of motor vehicles with respect to emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro and Euro 6) and on access to vehicle repair and maintenance information. [] C. L. Myung, H. Lee, K. Choi, Y. J. Lee, S. Park, Effects of gasoline, diesel, LPG, and low-carbon fuels and various certification modes on nanoparticle emission characteristics in light-duty vehicles, International Journal of Automotive Technology, Vol., No., pp. 7 44, 9 [] G. A. Raoa, A. V. S. Rajub, C. V. M. Raoc, K. G. Rajulud, Effect of LPG Content on the Performance and Emissions of A Diesel-LPG Dual Fuel Engine, Bangladesh Journal of Scientific and Industrial Research, Vol 46, No, pp. 9-, [4] D. Walczak,K. Szczurowski, Ł. Zieliński, Zastosowanie programowalnego sterownika do wysterowania osprzętu badawczego silnika dwupaliwowego, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, No. (99)/4, Warszawa 4 [] S. Radkowski, K. Szczurowski, D. Walczak, Ł. Zieliński, Proposed method of steering diesel engine equipped with modified supply system using versatile programmable driver, V Międzynarodowa Konferencja Systemy Mechatroniczne Pojazdów i Maszyn Roboczych, Warszawa 9.. [6] K. Szczurowski, K. Więcławski, D. Walczak, Ł. Zieliński, Determination of the time of injection LPG dual fuel engine, XIII International Technical Systems Degradation Conference, Liptovsky Mikulas, -6.4.4. [7] S. Wierzbicki, M. Śmieja, A. Piętak, Preliminary tests on an integrated laboratory control system for the feeding system of a dual-fuel diesel engine and its load, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol., No.,. [8] K. Lejda, A. Jaworski, Zasilanie gazowe silników rolniczych, MOTROL, No. 8, pp. -8, 6. [9] A. Piętak, S. Wierzbicki, M. Imiołek, M. Mikulski, Dual-fuel feeding diesel engine behind assistance cng with liquid dose piloting fuel renewable, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 6, No., 9. [] Odwzorowanie procesu spalania w sygnale drganiowym tłokowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym B Czechyra, G Szymański, F Tomaszewski Diagnostyka, -6 [] Deo Raj Tiwari, Gopal P. Sinha, Performance and Emission Study of LPG Diesel Dual Fuel Engine, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT),ISSN: 49 898, Vol., No., February 4 [] Technical information Bosch, Diesel accumulation of common rail injection systems, WKŁ, Warsaw, [] K. Szczurowski, S. Radkowski, D. Walczak, Ł. Zieliński, The effect of addition of LPG and camelina oil esters on noise and vibration in a dual fuel CI engine, DIAGNOSTYKA Vol., No. 4 (4), e-issn 449-, December 4 Damian Walczak, Eng. Student at the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering at Warsaw University of Technology.. inż. Damian Walczak student na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Krzysztof Szczurowski, DEng. Doctor at the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering at Warsaw University of Technology. Dr. inż. Krzysztof Szczurowski doktor na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. 77